KR20190040231A - 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주로 포함하는 분리 생성물 회수방법 및 설비 - Google Patents

두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주로 포함하는 분리 생성물 회수방법 및 설비 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은 메탄, 수소 및 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 포함하는 분리 피드스톡을 사용하여, 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주성분으로 함유하는 분리 생성물 회수방법(100)에 관한 것이고, 여기서 분리 피드스톡의 메탄 함량은 20% 이하이고, 상기 분리 피드스톡은 가스 상태로 제공된다.
제1압력 레벨에서 단일 단계로 제1온도 레벨에서 제2온도 레벨로 냉각함으로써 분리 피드스톡을 응축하여, 정확하게 하나의 액체 분획과 가스 분획을 획득하는 단계; 제2온도 레벨로부터 제3온데 레벨로 추가적인 냉각을 통해 단일 단계로 제1가스 분획의 일부를 부분적으로 응축하여, 정확하게 제2 액체 분획 및 제2 가스 분획을 획득하는 단계; 제2압력 레벨에서 제2가스 분획의 적어도 일부가 메탄을 주성분으로 함유하는 흡수 액체로 역류 흡수하도록 하여, 정확하게 제3 액체 분획 및 제3 가스 분획을 획득하는 단계; 제1, 2, 3액체 분획을 적어도 부분적으로 결합시키고 제1압력 레벨 위의 제2압력 레벨에서 제3액체 분획을 저온 정류하여, 섬프 액체 및 오버헤드 가스를 획득하는 단계; 제4온도 레벨로의 추가적인 냉각을 통해 제2압력 레벨에서 오버헤드 가스의 적어도 일부를 단일 단계로 부분적으로 응축시켜, 제4액체 분획 및 제4가스 분획을 획득하는 단계; 및 제3온도 레벨에서 제5온도 레벨로 제4가스 분획의 적어도 일부를 추가 냉각시켜 메탄을 주성분으로 포함하는 흡수 액체를 형성하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상응하는 설비 또는 본 개시내용의 목적을 형성한다.

Description

두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주로 포함하는 분리 생성물 회수방법 및 설비
본 개시내용은 독립항의 전제부에 따른 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주로 포함하는 분리 생성물의 회수방법 및 설비에 관한 것이다.
수증기 분해(Steam Cracking) 및 이와 관련하여 얻어지는 기체 혼합물의 조건화를 위한 방법 및 장치는 선행기술에서 다양한 실시예로 공지되어 있다. 상세한 내용에 대해서는, 관련된 전문 문헌(the article “Ethylene” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Online edition, 2009, DOI 10.2002/14356007.a10_045.pub3 or Falqi, F.: "The Miracle of Petrochemicals. Olefins Industry: An In-Depth Look at Steam-Crackers", Universal-Publishers 2009, ISBN 1-59942-915-2)을 참고할 수 있다.
상업적 규모에서, 수증기 분해 방법은 원칙적으로 복수의 탄화수소 및 탄화수소 혼합물을 에탄(ethan)으로부터 가스-오일까지 보통 600℃의 비점까지 충전될 수 있는 튜브형 반응기(이른바 피드스톡(feedstock)으로 불림)에서 수행된다. 튜브형 반응기 또는 반응기에서의 수증기 분해가 이루어지는 동안, 피드스톡은 적어도 부분적으로 전환되어 소위 원유가스(crude gas)를 얻는다. 상기 원유가스는 일련의 전처리공정을 거칠 수 있다. 이러한 전처리공정은 전형적으로 냉각 및 건조에 의한 원유 가스의 조건화를 포함하여, 소위 분해가스(cracked gas)를 얻는다. 상기 원유가스는 분해가스로도 표기되며, 그 반대도 마찬가지이다.
상기 분해가스는 상이한 체인 길이 및 구조를 갖는 탄화수소 혼합물이다. 상기 분해가스로부터 원하는 생성물을 얻기 회수하기 위해서는 상기 분해가스를 분리해야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 다양한 방법이 선행기술로부터 공지되어 있으며, 예를 들어 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry의 기사 "Ethylene"에서 상세하게 설명되어 있다.
제1분리 단계에서, 가솔린류 및 오일류 성분들은 통상적으로 분해가스 내에 존재한다면 분리된다. 이를 위하여, 오일세척 및 물세척이 일반적으로 사용된다. 이어서, 예를 들어 메탄, 수소 및 두 개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소를 주로 함유하는 기체 혼합물은 분해가스로부터 초기에 분리될 수 있다. 참고자료로, 본 명세서에서 "우선적 탈에탄흡수기(de-ethaniser first)" 또는 프론트-엔드(front-end) "탈에탄흡수기" 방법에 대해서도 언급된다. 하지만, 예를 들어 소위 우선적 탈에탄흡수기나 우선적 탈프로판흡수기 방법이 또한 전문 문헌에도 공지되어 있다.
증기분해법에 의해 생성된 분해가스로부터 형성되는 메탄, 수소 및 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주로 함유하는 가스 혼합물로부터 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 분리하기 위하여 유럽특허 EP 3 029 017 A1에 나타난 도 1 및 도 2에서 설명되는 분리법이 사용될 수 있다. 또한, WO 2015/104153 A1은 상기 방법이 개시되어 있다. 하지만, 이러한 종래 방법은 나프타 및/또는 중질 탄화수소의 증기분해에서 피드스톡으로서 형성된 분해 가스로부터 형성되는 가스 혼합물에 주로 적합하고, 그 이유는 오직 이러한 경우에만 충분한 메탄(최소 30몰%)이 함유되어 있기 때문이다. 탈메탄흡수기 및 C2-흡수기에 역류를 공급하기 위하여 상대적으로 많은 양의 메탄이 요구된다(이와 관련하여, 도 1의 설명 참조).
분해 가스를 제조하는 또 다른 방법은 EP 3 029 402 A1, WO 2007/045364 A2, DE 10 2010 014 155 A1 및 WO 2017/001514 A1에 개시되어 있다.
그러나 혼합된 피드스톡이 증기분해에 사용된다면, 즉 나프타와 함께 에탄과 같은 가스 피드스톡이 또한 분리되는 경우, 메탄, 수소 및 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주로 포함하는 상기 분해된 가스와 이로부터 분리된 가스 혼합물은 상대적으로 적은 메탄을 함유한다. 따라서, 상기 탈메탄흡수기 및 C2-흡수기는 더이상의 어려움 없이 작동 가능하다. 이러한 경우에, 수소와 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소가 분리된 이후, 메탄 일부는 종래 설비에서 재활용되어야 한다. 메탄은 상기 재활용을 통해 순환 과정에서 함유 중량이 커질 수 있다. 피드스톡 내 에탄 대 나프타의 비율이 얼마나 큰지에 따라서, 상기 재활용은 분해된 가스의 15% 중량에 달할 수 있다. 이는 원유가스 또는 각 분해 가스경로의 모든 분리 장치가 더 크게 설계되어야 함을 의미하고, 상기 플랜트는 그에 대응되도록 더 많은 압축기 전력을 소비하게 된다. 이러한 두가지 요소는 모두 바람직하지 않다.
EP 3 029 017 A1에서 제안된 하나의 해결법은 메탄의 외부 공급이다. 그러나 상기 플랜트 설계는 충분한 양과 적절한 전달 조건이 끊임없이 유지되어야 한다. 이와 같은 경우에, 증기 분해법으로부터 분해된 가스로부터 형성되는 것과 같이, 메탄, 수소 및 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화 수소를 주로 함유하는 분리 피드스톡으로부터 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주성분으로 함유하는 분리 생성물의 회수율을 상승시키는 해결과제를 제기한다.
본 개시내용은 독립항의 특징을 갖는 두 개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소를 주성분으로 함유하는 분리 피드스톡의 회수방법 및 설비에 의해 달성된다. 각각의 경우에, 추가적인 개선사항은 종속항 및 이하 설명에서 개시된다.
본 개시내용의 유리한 특징에 대해 설명하기 전에, 이들의 기본 원리 및 사용된 용어를 설명한다.
종래 사용되는 것으로, 액체 및 가스 혼합물과 분획물 및 유사물은 하나 이상의 요소에서 풍부하거나 빈약할 수 있고, 여기서 "풍부"란 분자, 중량 또는 체적에 대해 최소 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99을, "빈약"이란 최대 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01%을 의미할 수 있다. 물질 혼합물, 분획물 및 유사물이 하나 이상의 요소를 "주로" 포함한다는 사실을 언급하면, 전술한 내용에서 후자의 "풍부"에 해당한다. 메탄과 수소가 풍부한 물질 혼합물은 최소 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99%의 메탄 및 수소를 포함하게 되고, 나머지 성분들은 선택적으로 남은 부분에 포함된다. 이러한 경우에, 예를 들어 메탄이나 수소가 언급된다면, 상기 메탄이나 수소가 풍부한 유체로 이해되어야 하고, 나머지 성분들만을 배타적으로 포함할 필요는 없다.
또한, 통상적인 사용에서, 액체 및 기체 혼합물은 하나 이상의 성분이 농축 또는 고갈될 수 있으며, 이러한 용어는 물질 혼합물이 획득되는 최초 혼합물에 대응하는 함량과 연관된다. 통상적으로, 최초 혼합물에서 상기 물질 혼합물은 최소 1.1배, 1.5배, 2배, 5배, 10배, 100배 또는 1000배 함량을 함유할 때 농축되는데 비하여, 상기 성분이 최대 0.9배, 0.5배, 0.1배, 0.01배 또는 0.001배 함량을 함유할 때 고갈된다.
본 개시내용의 범위 내에서, 정류 및 흡수 칼럼이 사용된다. 해당 장치의 설계 및 실시예와 관련하여, 관련 문헌을 참고한다(예시, K. Sattler : Thermische Trennverfahren [열 분리 방법] Grundlagen, Auslegung, Apparate [Principles, Design Equipment] Weinheim : Wiley- VCH, 3rd Edition 2001). 일반적으로, 적어도 하나의 액체 분획("일부 액체") 및 하나의 가스 분획("상부 기체")은 정류 및 흡수 칼럼, 하부 영역("섬프(sump)") 및 각 상부 영역("헤드")로부터 항상 제거될 수 있다.
통상적으로, "정류 칼럼"은 기체 또는 액체 형태 또는 액체 및 기체성분을 가진 2상 혼합물로 존재하는 물질 혼합물을 적어도 부분적으로 분리하도록 구비되는 분리 칼럼이고, 초임계조건에서는 선택적으로 하나 이상의 성분에 대해 설명되는 조건에서 물질 혼합물과의 비요에 의해 농축되거나 고갈되는 순수한 물질을 혼합하는 물질 또는 물질 혼합물로부터 생성되도록 구비되는 분리 칼럼이다. 보통, 정류 칼럼은 예를 들어, 체(sieve) 트레이와 같은 내부 구조로 맞춰진 실린더형 금속 컨테이너로 구성된다. 정류 칼럼은 특히 섬프 생성물이 섬프 증발기에 의해 가열되어 일부가 연속적으로 증발되고 정류 칼럼내에서 기체 형태로 상승한다는 점에서 특징되어진다. 또한, 정류 칼럼은 오버헤드 가스의 적어도 일부가 응축액으로 액화되어 정류 칼럼 헤드에서 액체 환류로써 전달되는, 소위 오버헤드 콘덴서가 일반적으로 제공된다. 하지만, 헤드 가스의 일부는 예를 들어 생성물로써 다른 곳에서도 사용될 수 있다.
정류 칼럼과는 대조적으로, "흡수 칼럼"은 보통 섬프 증발기를 포함하지 않는다. 일반적으로, 흡수 칼럼은 분리 기술 분야에서 오랫동안 알려져온 기술이다. 흡수 칼럼은 역류 상태에서 흡수를 위해 사용되며, 따라서 역류 칼럼으로도 불린다. 역류에서의 흡수의 경우, 제공 기체상은 흡수 칼럼을 통해 상부로 흐른다. 상부에서 채워져 하부로 당겨진 수용 액체상은 기체상과는 반대 방향으로 흐른다. 상기 기체상은 액체상으로 씻겨진다. 상기 흡수 칼럼은 또한 일반적으로 계단식(바텀, 분무 구역, 회전판 등) 또는 고정된(필러, 패킹 등의 무작위 패킹) 위상 접촉을 보장하는 내부 구조를 포함한다. "흡수 액체"로 표시되는 액체 흐름은 흡수 칼럼의 하부 영역으로 공급되는 기체 흐름으로부터 성분이 씻겨내지는 것에 의하여 상부 영역으로 공급된다.
압력 및 온도의 특성화를 위해, 본 개시내용은 "압력 레벨" 및 "온도 레벨"이라는 용어를 사용하는데, 이는 상기 압력 및 온도가 본 개시내용을 실시하기 위하여 정확한 압력 또는 온도값의 형태로 상기 플랜트에서 사용될 필요가 없음을 나타내기 위한 것이다. 그러나 상기 압력 및 온도는 평균값을 중심으로 예를 들어, ± 1%, 5%, 10%, 20% 또는 심지어 50%로 배치되는 주어진 범위 내에서 이동한다. 특히, 상기 압력 레벨과 온도 레벨은 분리된 범위 또는 서로 겹치는 범위로 배치될 수 있다. 특히, 압력 레벨은 예를 들어, 냉각 효과때문에 피할 수 없거나 예상되는 압력 손실을 포함한다. 온도 레벨에 대해서도 동일하게 적용된다. 여기서 bar로 표시되는 압력 레벨은 절대 압력을 나타낸다.
본 개시내용의 범위 내에서, 에틸렌은 특히 냉각제로써 상이한 압력 레벨에서 사용된다. 상기 에틸렌의 사용은 선행 기술에서 널리 알려져있다. 종래 기술로부터 알려진 냉각제 순환에서, 에틸렌은 약 7 내지 9bar("고압 에틸렌")의 압력 레벨, 약 3 내지 4bar("평균압 에틸렌")의 압력 레벨, 및 1.15 내지 1.4bar("저압 에틸렌")의 압력 레벨로 분류되는 세가지의 압력 레벨에서 제공된다. 본 개시내용에서, 고압 에틸렌만으로 약 (-62 ~ -55)℃의 온도 레벨; 평균압 에틸렌만으로 약 (-83 ~ -76)℃의 온도 레벨; 저압 에틸렌만으로는 약 (-102 ~ -98)℃의 온도 레벨에 도달할 수 있다.
원칙적으로, 본 개시내용의 범위 내에서 제안된 방법은 메탄, 수소 및 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주성분으로 포함하는 피드스톡의 분리로부터 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주성분으로 함유하는 분리 생성물을 회수하는 선행 기술로부터 공지된 개념에 기초하고, (부분적) 응축, 역류 흡수 및 정류를 포함한다.
하지만, 본 개시내용은 전술한 목적에 특히 유리한 지식에 기초하고, 이는 만약 상기 방법으로 사용되는 정류 칼럼("탈메탄 흡수기")으로 피드스톡의 특정, 변형된 냉각 및 저온 정류상에서 주어진(즉, 냉각과 비교하여 증가된) 압력 레벨이 작동된다면 비교적 소량의 메탄을 포함하는 가스 혼합물의 처리가 사용된다. 본 개시내용의 일 실시예에 따라, 역류 흡수를 위해 변형된 흡수 칼럼이 추가로 사용된다.
본 개시내용의 범위 내에서, 분리 피드스톡의 메탄 함량은 최대 30%(특히 몰 기준으로)이고, 상기 분리 피드스톡은 가스 형태로 제공된다. 상기 메탄 함량은 예를 들어 20 내지 25몰% 또는 25 내지 30몰%일 수 있다. 본 개시내용의 범위 내애서, 제1압력 레벨에서, 상기 분리 피드스톡은 정확하게 하나의 제1액체 분획 및 하나의 제1가스 분획의 회수와 함께 제1온도 레벨에서 제2온도 레벨로 냉각함으로써 단일단계로 부분적으로 응축된다. 압력 및 온도에 대한 바람직한 값은 이하 개시되어 있다.
상기 분리 피드스톡이 예를 들어, EP 3 029 017 A1에서 도 1 및 도 2와 함께 설명된 복수의 응축 분리를 가진 단계화가 아니라, 단일 응축의 단일 분리를 가진 하나의 단계로 이루어지는 본 개시내용에 따라 냉각되면, 응축물의 중간 분리를 가진 복수의 냉각과정의 경우보다 더 많은 양의 메탄이 분리된 액체 분획, 여기서는 "제1액체 분획"으로 전달된다. 이는 메탄의 높은 분압에서, 상기 분리 피드스톡이 최저 온도 레벨로 냉각된다는 사실에 기인한다. 더 많은 양의 메탄이 이용가능한 종래 방법에서 응축에 의해 이미 분리된 메탄은 더 이상 후속적인 분리가 필요없기 때문에 상기 문제점을 피할 수 있다.
제1액체 분획은 분리 피드스톡과 대비하여 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소로 농축된다. 그러나 전술한 이유로, 복수 단계의 부분 응축을 통한 종래 기술에서 분리된 액체 분획보다 더 많은 탄소가 제1액체 분획에 포함된다. 반대로, 제1가스 분획은 상기 분리 피드스톡으로부터 거의 수소 전체를 함유하고, 탄소 원자를 가진 탄화 수소가 고갈되지만 대조적으로 메탄이 농축된다. 이후 제1가스 분획의 추가적인 처리는 실질적으로 두 개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소의 회수역할을 한다.
이러한 목적으로, 본 개시내용의 범위 내에서, 제1압력 레벨에서 제1가스 분획의 하나 이상의 영역은 제3온도 레벨로 추가적인 냉각을 통해 단일 단계에서 부분적으로 응축되고, 정확하게 제2 액체분획 및 제2 기체분획을 얻는다. 이러한 방식으로, 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소의 추가비율이 제1가스 분획에서 제2액체 분획으로 제거된다. 그러나 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소는 여전히 제2가스 분획에 함유되어 있다.
따라서, 제1압력 레벨에서 제2가스 분획의 하나 이상의 영역은 메탄을 주성분으로 함유하는 흡수 액체로 역류되는 곳에서 역류 흡수되어, 정확하게 제3 액체분획 및 제3 가스분획을 얻는다. 메탄을 주성분으로 함유하는 흡수 액체에 의하여, 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소는 제2가스 분획으로부터 제거된다. 이러한 방식으로, 소위 C2 흡수기가 사용된다.
메탄 및 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 포함하는 제1, 2, 3 액체 분획은 증가된 압력 레벨에서 발생하는 저온 정류를 겪는다. 이러한 목적으로, 제1, 제2, 제3 액체 분획은 적어도 부분적으로 결합되고, 제1압력 레벨위의 제2압력 레벨에서 부분적으로 저온 정류를 겪어 섬프 액체 및 오버헤드 가스를 얻게 된다. 따라서, 본 개시내용의 범위 내에서, 상기 증가된 압력 레벨은 메탄이 저압 에틸렌으로 사용되는 정류 칼럼(탈메탄 흡수기)의 헤드에서 응축되고, 팽창 메탄과 같은 더 차가운 냉각제를 사용할 필요가 없게 되도록 보장하기 위하여 사용된다. 이러한 방식으로, 분리 피드스톡에서 메탄의 감소량이 처리될 수 있다.
본 개시내용의 범위 내에서, 제2압력 레벨에서 오버헤드 가스의 적어도 일부는 부분적으로 농축되고, 특히 단일단계에서 제4온도 레벨로 추가적인 냉각을 통해 제4액체 분획 및 제4 가스 분획, 특히 정확하게 제4 액체 분획 및 제4 가스 분획을 얻는다. 이는 일반적으로 정류 칼럼의 오버헤드 컨덴서에서 발생한다. 제4온도 레벨에서 바람직하게는 전술한 저압 에틸렌이 본 개시내용에 따라 얻게 된다.
본 개시내용의 범위 내에서, 메탄을 주성분으로 함유하는 흡수 액체는 제4가스 분획의 최소 하나의 영역을 거의 완전한 응축이 일어나는 제5온도 레벨로 추가 냉각시키는 것을 통해 생성된다. 이 경우에 바람직하게 사용되는 절차는 후술된다.
본 개시내용의 범위 내에서, 제1온도 레벨은 (-20 ~ -35)℃, 및 제2온도 레벨은 (-75 ~ -80)℃, 특히 (-77 ~ -79)℃로 배치된다. 제3온도 레벨은 (-100 ~ -105)℃, 특히 (-100 ~ -102)℃, 및/또는 제4온도 레벨은 (-95 ~ -101)℃, 특히 (-97 ~ -99)℃로 배치된다. 제5온도 레벨은 (-140 ~ -155)℃, 특히 (-148 ~ -152)℃로 배치됨이 바람직하다. 또한, 제1압력 레벨은 32~37bar, 특히 35~37bar, 제2압력 레벨은 35~37bar, 및/또는 제2압력 레벨은 35~40bar, 특히 35~37bar임이 바람직하다. 본 개시내용의 범위 내에서 특정적으로 사용되는 바람직한 압력 및 온도 레벨은 전술되었다. 압력 및 온도 레벨에 대한 추가적인 실시예가 도 1을 참조하여 설명된다.
본 개시내용의 바람직한 실시예에 따르면, 흡수 칼럼은 섬프 영역 및 섬프 영역 위에 배치된 액체 베리어에 의하여 섬프 영역으로부터 분리되는 흡수 영역을 포함하는 역류 흡수를 위해 사용되고, 여기서 상기 액체 베리어는 액체 베리어상의 흡수영역의 하부에 모인 액체가 섬프 영역내로 배출되도록 하는 방식으로 구성되며, 흡수 영역에서 상부를 향하는 섬프 영역으로부터 가스의 상승을 방지하도록 한다. 이러한 방식으로, 제1액체 분획으로부터 제1가스 분획으로의 상분리, 제2액체 분획으로부터 제2가스 분획으로의 상분리 및 제3가스/액체 분획의 형성을 위한 역류 흡수가 단일 분리 장치가 바람직한 방식으로 사용될 수 있다. 역류 흡수는 특히 경제적으로 효율적인 방식으로 생성될 수 있으며, 바람직하게 작동될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 액체 베리어는 액체가 하부로 배출되지만 가스가 상승하지 않도록 하는 사이펀(siphon) 방식으로 작동한다. 그러나 정류 분야로부터 알려진 사이펀 트레이 방식으로 구현될 수 있으며, 여기서 가스 통로는 생략될 수 있다.
이러한 개선된 흡수 칼럼이 사용된다면, 제1온도 레벨로부터 제2온도 레벨로 냉각된 상기 분리 피드스톡은 2상 혼합물로써 섬프 영역으로 공급될 수 있고, 여기서 제2온도 레벨에서 제1액체 분획은 제1가스 분획으로부터 분리된다. 이와 관련하여, 액체 분획은 독립된 분획의 형태로 존재할 필요는 없지만, 흡수 영역으로부터 액체 베리어를 통해 흐르는 액체와의 형성중에 이미 혼합될 수 있다.
또한, 개선된 흡수 칼럼이 사용된다면, 제1가스 영역 또는 제3온도 레벨로 추가적으로 냉각된 영역은 2상 홉합물로써 섬프 단부에서 흡수 영역내로 공급될 수 있어, 제2액체 분획은 제2가스 분획으로부터 분리된다. 또한, 제2액체 분획은 독립적인 분획의 형태로 생성될 필요는 없지만, 그 형성중에 하부로 살수되는 세척액과 혼합될 수 있으며, 이는 전술한 바와 같이 제3액체 분획을 나타낸다. 다시 말하면, 상기 개선된 흡수 칼럼의 사용으로, 액체 장벽 위에서 혼합되는 경우에 제3액체 분획은 제2액체 분획과 혼합될 수 있으며, 액체 베리어를 통해 그 형성의 경우에 제1액체 분획과 결합되는 섬프 영역으로 배출될 수 있다.
본 개시내용의 범위 내에서, 제1, 2, 3액체 분획 또는 그 결합된 부분은 바람직하게는 섬프 펌프에 의해 압축되고 저온 정류를 위해 사용되는 정류 칼럼으로 이송될 수 있다. 냉각중에 발생하는 응축물은 가압받을 수 있기 때문에, 전체 분리 피드스톡의 에너지-집약적인 가압을 피할 수 있다. 사실, 상기 펌프는 전술한 이유로 인하여 필요하지만, 메탄 냉각제나 상기 흐름의 감압 후 재가압하는 과정을 제공할 수 있다.
본 개시내용의 범위 내에서, 전술한 바와 같이 정류 칼럼의 오버헤드 응축기가 저압 에틸렌의 사용으로 냉각되는 오버헤드 가스 또는 그 일부의 부분 응축을 위해 사용되는 것이 바람직하다. 정류 칼럼에서 증가된 작동 압력을 통해, 저압 에틸렌의 응축이 가능하므로 더 차가운 냉각제를 사용하지 않아도 된다.
본 개시내용의 범위 내에서, 제1압력 레벨에서 제3가스 분획의 적어도 일부는 특히 단일 단계에서 제5온도 레벨로 냉각함으로써 부분적으로 응축되어, 특히 정확하게 제5 액체 분획 및 제5 가스 분획인 제5액체 분획 및 제5가스 분획을 얻는다. 이러한 방식으로, 농축된 메탄이나 농축메탄 분획(제5액체 분획) 및 수소 농축된 수소나 수소농축 분획(제5가스 분획)으로의 분리가 이루어질 수 있다. 상기 분획은 추가적인 처리가 가능하다.
제5액체 분획 및 제5가스 분획의 적어도 하나의 사용으로 냉각되는 하나 이상의 열교환기가 제3, 4가스 분획 또는 그 영역의 냉각을 위해 사용되는 것이 특히 바람직하다. 이러한 방식으로 각각의 경우에, 저압 에틸렌의 사용으로는 달성될 수 없었던 온도, 즉 제5온도 레벨이 상기 가스분획의 냉각에 대해 달성될 수 있다.
본 개시내용의 범위 내에서, 분리 피드스톡의 냉각을 위해, 고압 및 평균압 에틸렌을 포함하는 적어도 하나의 제5액체 분획 및 제5가스 분획의 사용으로 냉각되는 적어도 하나의 열교환기가 사용된다. 이러한 방식으로, 분리 피드스톡의 온도는 과량의 외부 냉각제를 사용하지 않고도 적절하게 감소될 수 있다.
반대로, 제1가스 분획의 냉각을 위해, 적어도 하나의 열교환기가 사용될 수 있으며, 특히 제5액체 분획 및 제5가스 분획의 적어도 일부와 함께 저압 에틸렌으로 냉각된다. 이러한 방식으로, 제3온도 레벨이 달성될 수 있다.
메탄, 수소 및 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 포함하는 분리 피드스톡을 사용하여, 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주성분으로 함유하는 분리 생성물의 회수설비가 사용될 수 있고, 여기서 분리 피드스톡의 메탄 함량은 20% 이하이고, 상기 분리 피드스톡은 가스 상태로 제공된다.
상기 설비는, 제1압력 레벨에서 단일 단계로 제1온도 레벨에서 제2온도 레벨로 냉각함으로써 분리 피드스톡을 응축하여, 정확하게 하나의 액체 분획과 가스 분획을 획득하는 단계; 제2온도 레벨로부터 제3온데 레벨로 추가적인 냉각을 통해 단일 단계로 제1가스 분획의 일부를 부분적으로 응축하여, 정확하게 제2 액체 분획 및 제2 가스 분획을 획득하는 단계; 제2압력 레벨에서 제2가스 분획의 적어도 일부가 메탄을 주성분으로 함유하는 흡수 액체로 역류 흡수하도록 하여, 정확하게 제3 액체 분획 및 제3 가스 분획을 획득하는 단계; 제1, 2, 3액체 분획을 적어도 부분적으로 결합시키고 제1압력 레벨 위의 제2압력 레벨에서 제3액체 분획을 저온 정류하여, 섬프 액체 및 오버헤드 가스를 획득하는 단계; 제4온도 레벨로의 추가적인 냉각을 통해 제2압력 레벨에서 오버헤드 가스의 적어도 일부를 단일 단계로 부분적으로 응축시켜, 제4액체 분획 및 제4가스 분획을 획득하는 단계; 및 제3온도 레벨에서 제5온도 레벨로 제4가스 분획의 적어도 일부를 추가 냉각시켜 메탄을 주성분으로 포함하는 흡수 액체를 형성하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 설비는 전술한 바와 같은 방법의 실시를 위한 바람직한 방법으로 구성된다. 따라서, 전술한 특징 및 이점을 참고할 수 있다.
이하에서는, 본 개시내용의 바람직한 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명된다.
도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 과정을 도시한다.
도 1에서, 본 개시내용의 바람직한 실시예에 따른 방법이 개략적인 프로세스 흐름도의 형태로 도시되어 있으며, 전체적으로 도면부호 100으로 표시되어 있다. 상기 방법(100)에 관한 설명은 상기 설비에 유사한 방식으로 적용되므로, 방법의 단계들을 참고할 때, 방법의 설명은 설비의 구성요소에 동시에 대응되고 그 반대도 마찬가지이다.
상기 방법(100)에서, 예를 들어, 이전에 함유된 아세틸렌의 전환을 위해 수화될 수 있고, 증기 분해법의 분해된 가스로부터 형성되는(도시되지 않은)메탄, 수소, 및 두 개의 탄소원자를 포함하는 탄화수소를 주성분으로 함유하는 가스 혼합물이 분리 피드스톡으로서 기체 형태로 제공된다.
물질 흐름 형태로의 상기 분리 피스드톡은 열교환기(1)에서 수소 분획(물질 흐름b), 메탄 분획(물질 흐름c), 고압 에틸렌(물질 흐름d) 및 평균압 에틸렌(물질 흐름e)으로부터 약 34.9bar(제1압려 레벨로 표시되는)로 냉각되고, 약 -23℃(제1온도 레벨)에서 -78℃(제2온도 레벨) 수준으로 시작하여, 단일 단계로 부분 응축된 후 약 34.7bar(따라서, 여전히 제1압력 레벨)의 압력에서 C2 흡수기의 흡수 칼럼(2)의 섬프 영역(21)으로 가이드된다. 거기에서, 발생하는 응축물(제1액체 분획)은 기상(f)(제1가스 분획)으로부터 분리된다.
제1액체 분획은 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소로 농축된다. 단일 단계 부분 응축으로 인하여, 비교적 많은 양의 메탄이 제1액체 분획에서 분리 피드스톡으로부터 분리된다. 이는 예를 들어, EP 3 029 017 A1의 도 1, 2를 참고하여 도시되는 종래 멀티단계 부분 응축 방식보다 더 많은 양이다. 제1기체 분획은 실질적으로 분리 피드스톡의 모든 구성요소를 포함하고 있으나, 특히 두 개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소에 대해서는 거의 존재하지 않는다. 종래 멀티 단계 부분 응축과 비교하면, 상기 이유로 인해 적은 메탄을 포함한다.
도시된 실시예에서, 제1가스 분획은 물질 흐름(f)의 형태로 흡수 칼럼(2)의 섬프 영역(21)으로부터 완전하게 배출되고 열교환기(3)에서 전술한 수소 및 메탄 분획(물질 흐름 b, c)으로부터, 그리고 저압 에틸렌(물질 흐름 g)으로부터 약 -103℃의 온도 레벨(제3온도 레벨)까지 추가로 냉각되고 결국 부분적으로 응축된다. 물질 흐름b, c의 사용으로 인하여, 제3온도 레벨은 저압 에틸렌 단독으로 달성할 수 있는 온도보다 더 낮아진다. 이후, 물질 흐름f는 2상 혼합물로서, 흡수 칼럼(2)의 섬프 영역(21)을 상부에 위치하는 흡수 영역(23)으로부터 분할하는 액체 베리어(22) 상부의 흡수 칼럼(2)으로 돌아가 재순환된다. 상기 액체 베리어(22)는 흡수 영역(23)의 하부 영역에 축적되는 액체의 하부 흐름을 가능하게 하고, 섬프 영역(21)으로부터 흠수 영역(23)으로의 가스의 상승을 방지한다.
열교환기(3)에서의 압력 손실을 극복하기 위하여, 흡수 칼럼(2)의 상부에 배치된다. 상기 흡수 칼럼(2)은 약 34~35bar의 압력 레벨, 즉 전술한 제1압력 레벨에서 작동한다.
흡수 칼럼(2) 또는 각 흡수 영역에서, 물질 흐름(f)의 상분리 또는 상응하게 냉각된 제1가스 분획의 상분리가 발생한다. 상기 액체 상(제2액체 분획)은 액체 베리어(22)위에 축적되고 아래쪽으로 흐르는 하전된 흡수 액체(제3액체 분획)와 결합한다. 상기 물질 흐름(f)의 상 분리의 경우에서 남아있는 가스 비율(제2액체 분획) 또는 냉각된 제1가스 분획에 대응하는 기체 비율은 흡수 영역내로 상승하여, 물질 흐름(n)의 형태로 메탄을 주성분으로 포함하는 흡수 액체로의 역류 흡수를 받는다.
역류 흡수에서, 전술한 제2액체 분획과 결합하는 액체 분획(제3액체 분획)이 형성된다. 제2, 3액체 분획은 제1액체 분획과 결합되는 곳인 액체 베리어(22)를 통해 흡수 칼럼(2)의 섬프 영역(21)으로 결합된다. 역류 흡수의 경우에 남아있는 가스 분획(제3가스 분획)은은 위로 상승하여 물질 흐름(o)의 형태로 흡수 칼럼(2)으로부터 배출된다.
흡수 칼럼(2)의 섬프 영역(21)으로부터, 결합된 제1, 2, 3액체 분획은 흡수 칼럼(2)으로부터, 보다 정확하게는 섬프 영역(21)으로부터 약 -79℃(즉, 여전히 제1온도 레벨)의 온도에서 섬프 펌프(4)에 의해 배출되어, 소위 탈메탄 흡수기인 정류 칼럼(5)으로 펌핑(물질 흐름h)된다. 섬프 펌프(4)의 작동을 통해, 약 38bar의 가압이 발생한다. 정류 칼럼(5)에서, 약 35bar의 압력 레벨(제2압력 레벨)에서 상기 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소, 즉 "분리 생성물"은 메탄 및 더 가벼운 성분으로부터 분리되고, 물질 흐름(i)의 형태로 섬프 액체로써의 섬프를 통해 정류 칼럼(5)을 떠난다. 일반적으로, 상기 정류 칼럼(5)은 제2압력 레벨, 특히 약 35~36bar의 압력레벨에서 작동하고, 섬프는 고압 프로필렌과 함께 섬프 증발기(52)에서 증발된다. 물질 흐름(i), 즉 분리 생성물은 열교환기(1)내에서 열이 공급될 수 있으며, 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소가 서로 분리되기 위한 추가적인 분리 단계로 공급될 수 있다.
정류 칼럼(5)의 오버헤드 가스는 약 -101℃의 온도 레벨에서 존재하는 저압 에틸렌을 사용하여 열교환기(6)내에서 물질 흐름(k)의 형태로 약 -98℃의 온도레벨(제4온도 레벨)로 냉각되고 부분적으로 응축된다.
상기 열교환기(6)는 정류 칼럼(5)의 헤드에 내장되어, 발생하는 응축물(제4액체 분획)이 물질 흐름(l)의 형태로 환류로서 펌프없이 오직 중력만으로 정류 칼럼(5)으로 돌아간다. 여기서, 저압 에틸렌이 사용되기 때문에, 제4온도 레벨은 열교환기(3)에 의해 제공되는 제3온도 레벨의 상부에 배치된다. 남이있는 가스(제4가스 분획)는 주로 메탄을 포함하고, 물질 흐름(m)의 형태로 헤드에서 정류 칼럼(5)을 떠난다. 상기 물질 흐름(m)의 대부분은 열교환기(7)에서 약 -152℃의 온도레벨(제5온도 레벨)로 물질 흐름(n)의 형태로 추가 냉각된다. 이 과정에서 주로 응축되고 흡수 칼럼(2)의 흡수 영역(23)에 환류로서 공급된다.
흡수 칼럼(2)(제3가스 분획)의 흡수 영역(23)의 오버헤드 생성물은 또한 약 34.4bar의 압력 레벨(제1압력 레벨)에서 존재하는 물질 흐름(o)의 형태로 약 -152℃의 제5온도 레벨로 열교환기(7) 내에서 냉각되고, 부분 응축된다. 분리 용기(8) 내에서, 소위 메탄 분획(제5액체 분획)인 응축물은 기상, 소위 수소 분획(제5가스 분획)으로부터 분리된다. 여기서 최초에 p로 표기된 메탄 분획은 우선, 예를 들어 가열 가스 네트워크의 적절한 압력 레벨로 감압된 후에, 열교환기(7, 3, 1) 내에서 열이 가해진다.
열교환기(7)의 냉각-균형을 위해, 액체 메탄은 액체 트레이(51) 위의 정류 칼럼(5)에서 제거되고, 물질 흐름(p)의 메탄 분획으로 물질 흐름(q)의 형태로 공급된 후, 열교환기(7)에서 약 -152℃의 제5온도 레벨로 냉각된다. 유사하게, 물질 흐름(m)의 일부는 물질 흐름(r)의 형태로 줄질 흐름(p)로 공급될 수 있다. 물질 흐름(p, q, r)으로부터 형성되는 흐름의 결합은 여전히 메탄 분획으로서 표시되고 전술한 물질 흐름(c)의 형태로 도시된다.
분리 용기(8)로부터 약 90mole%의 수소를 가진 기상은 따뜻한 물질 흐름(a)에 대해 물질 흐름(p, c)의 메탄 분획과 같이 열교환기(7, 3, 1)에서 가열된다.

Claims (13)

  1. 메탄, 수소 및 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주성분으로 포함하는 분리 피드스톡, 여기서 피드스톡의 메탄 함유율은 30% 이하이고 기체 상태로 제공되는 피드스톡을 사용하여 두 개의 탄소 원자를 가진 탄화수소를 주성분으로 함유하는 분리 생성물 회수방법(100)으로서,
    - 제1압력 레벨에서, 정확하게 제1액체 분획 및 제1가스 분획의 회수와 함께 -20 내지 -35℃의 제1온도 레벨로부터 -75 내지 -80℃의 제2온도 레벨까지 냉각함으로써 상기 분리 피드스톡은 단일 단계로 부분적으로 응축되고,
    - 제1압력 레벨에서 제1가스 분획의 적어도 일부는 제3온도 레벨로 추가적인 냉각을 통해 단일 단계로 부분적으로 응축되어, 정확하게 하나의 제2액체 분획 및 하나의 제2가스 분획을 획득하며,
    - 제1압력 레벨에서 제2가스 분획의 적어도 일부는 메탄을 주성분으로 함유하는 흡수 액체로 역류 흡수하도록 하여, 정확하게 하나의 제3액체 분획 및 제3가스 분획을 획득하고,
    - 제1, 2, 3액체 분획을 적어도 부분적으로 결합시키고 제1압력 레벨 위의 제2압력 레벨에서 부분적으로 저온 정류되어, 섬프 액체 및 오버헤드 가스를 획득하며,
    - 제2압력 레벨에서 오버헤드 가스의 적어도 일부를 제4온도 레벨로의 추가적인 냉각을 통해 단일 단계로 부분적으로 응축시켜, 제4액체 분획 및 제4가스 분획을 획득하고,
    - 제5온도 레벨로 제4가스 분획의 적어도 일부를 추가 냉각시켜 메탄을 주성분으로 포함하는 흡수 액체를 형성하는 것을 특징으로 하는 분리 생성물 회수방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제3온도 레벨은 -100 내지 -105℃, 및/또는 제4온도 레벨은 -95 내지 -100℃, 및/또는 제5온도 레벨은 -140 내지 -155℃인 분리 생성물 회수방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1압력 레벨은 32 내지 37bar, 및/또는 제2압력 레벨은 35 내지 40bar인 분리 생성물 회수방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 역류 흡수를 위하여, 섬프 영역(21) 및 상기 섬프 영역(21) 상부에 배치되는 액체 베리어(22)에 의해 섬프 영역(21)으로부터 분리되는 흡수 영역(23)을 포함하는 흡수 칼럼(2)이 사용되고, 액체 베리어(22) 상부의 흡수 영역(23)의 하부 영역 내로 모이는 액체가 상기 섬프 영역(21)내로 하부로 배출되도록 하고, 섬프 영역(21)으로부터 흡수 영역(23)으로 가스가 상승하는 것을 방지하도록 하는 방식으로 상기 액체 베리어(22)가 구성되는 분리 생성물 회수방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1온도 레벨로부터 제2온도 레벨로 냉각되는 상기 분리 피드스톡은 2상 혼합물로서 섬프 영역(21)으로 공급되고, 제2온도 레벨내에서 제1액체 분획은 제1가스 분획으로부터 분리되는 분리 생성물 회수방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3온도 레벨로 추가 냉각된 제1가스 분획 및 그 일부는 섬프 단부에서 2상 혼합물로서 상기 흡수 영역(23)으로 공급되고, 제2액체 분획은 제2가스 분획으로부터 분리되는 분리 생성물 회수방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3액체 분획은 액체 베리어(22) 상부에 형성되는 경우에 제2액체 분획과 결합되고, 액체 베리어(22)를 통해 형성되는 경우에 제1액체 분획과 결합하는 영역인 섬프 영역내로 방출되는 분리 생성물 회수방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1, 2, 3액체 분획 또는 이들의 결합 영역은 섬프 펌프(4)에 의해 압축되고 저온 정류를 위해 사용되는 정류 칼럼(5)으로 이송되는 분리 생성물 회수방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 오버헤드 가스 또는 그 일부의 부분적인 응축을 위하여, 저압 에틸렌을 사용하여 냉각되는 정류 칼럼(5)의 오버헤드 응축기(6)가 사용되는 분리 생성물 회수방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1압력 레벨에서 제3가스 분획의 적어도 일부가 제5온도 레벨로 추가적인 냉각을 통해 단일 단계로 부분적으로 응축되어, 정확하게 하나의 제5액체 분획 및 하나의 제5가스 분획을 획득하는 분리 생성물 회수방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3, 4가스 분획 또는 그 일부의 냉각을 위하여, 제5액체 분획 및 제5가스 분획의 적어도 일부를 사용하여 냉각되는 적어도 하나의 열교환기(7)가 사용되는 분리 생성물 회수방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 분리 피드스톡의 냉각을 위해, 제5액체 분획 및 제5가스 분획의 적어도 일부 및 고압, 편균압 에틸렌을 사용하여 냉각되는 적어도 하나의 열교환기(1)가 사용되는 분리 생성물 회수방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1가스 분획의 냉각을 위하여, 제5액체 분획 및 제5가스 분획의 적어도 일부 및 저압 에틸렌을 사용하여 냉각되는 적어도 하나의 열교환기(3)가 사용되는 분리 생성물 회수방법.
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